环境科学  2021, Vol. 42 Issue (12): 5786-5795   PDF    
引用本文
韩谞, 潘保柱, 陈越, 刘亚平, 侯易明. 黄河水环境特征与氮磷负荷时空分布[J]. 环境科学, 2021, 42(12): 5786-5795.
HAN Xu, PAN Bao-zhu, CHEN Yue, LIU Ya-ping, HOU Yi-ming. Characteristics of Water Environment and Spatial-temporal Distribution of Nitrogen and Phosphorus Load in the Yellow River[J]. Environmental Science, 2021, 42(12): 5786-5795.
黄河水环境特征与氮磷负荷时空分布
韩谞, 潘保柱, 陈越, 刘亚平, 侯易明     
西安理工大学西北旱区及生态水利国家重点实验室, 西安 710048
收稿日期: 2021-04-01; 修订日期: 2021-05-18
基金项目: 国家自然科学基金重点项目（51939009）
作者简介: 韩谞(1995~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为淡水生态, E-mail: xuhan_0906@163.com
通信作者: 潘保柱, E-mail: zhuzipan@xaut.edu.cn
摘要: 黄河是我国西北和华北地区重要的供水水源，由于地形和降雨等自然因素以及频繁的人类活动影响，黄河流域水环境问题日渐凸显.为明确黄河干流水环境特征、水质现状以及流域氮磷负荷时空分布，本研究于2019年的4~5月和10~11月对黄河干流全河段水环境进行了调查研究.基于野外采样研究结果以及室内实验数据，结果发现：①从源区至河口多个水体理化参数逐渐上升的趋势反映了越来越频繁的人类活动以及中下游水土流失等的共同作用，此外，水库对溶质的截留与沉积具有显著的效果；②两个季节水质差异较小，从源区至河口水质等级由"优秀"下降至"一般"；③降雨是黄河流域氮磷赋存形态及其负荷具有季节性差异的关键因素；④黄河流域内氮磷赋存形态及其负荷所具有的空间差异性主要受控于人类活动与水土流失的影响.本研究结果可为控制黄河流域入河氮磷负荷以及改善水质提供科学依据.
关键词: 黄河流域      水环境      氮磷负荷      时空分布      人类活动      水土流失     
Characteristics of Water Environment and Spatial-temporal Distribution of Nitrogen and Phosphorus Load in the Yellow River
HAN Xu , PAN Bao-zhu , CHEN Yue , LIU Ya-ping , HOU Yi-ming     
State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China
Abstract: The Yellow River is the important water supply source for Northwest China and North China, whereas natural factors such as topography, rainfall, and intense human activities have brought about prominent water environment problems in the Yellow River basin. The main stream of the Yellow River was investigated from April to May and October to November of 2019 to clarify characteristics of the water environment, the current water quality status, and the spatiotemporal distribution of nitrogen and phosphorus loads. On the basis of observations and a laboratory analytical experiment, it was found that: ① The multiple parameter values increased from the source area to the estuary, which is the reflection of the combined effects of increasingly frequent human activities and soil erosion in the middle and lower reaches. Furthermore, reservoirs have significant effects on the retention and deposition of solutes; ② There is not much difference between water quality in the two seasons, and the water quality level dropped from "excellent" to "ordinary" from the source area to the estuary; ③ Rainfall played a critical role in the temporal difference in the occurrence forms of nitrogen and phosphorus and their load in the Yellow River basin; ④ The spatial difference in the occurrence forms and load of nitrogen and phosphorus in the Yellow River basin is mainly controlled by the effects of human activities and soil erosion. The study is expected to lay a scientific basis for controlling nitrogen and phosphorus load and improving water quality in the Yellow River basin.
Key words: Yellow River basin      water quality      nitrogen and phosphorus load      spatiotemporal distribution      human activities      soil erosion     

河流是人类生活、生产以及生态用水的重要来源, 同时也是输送维系陆生和水生生态系统的氮磷等营养元素的重要纽带.随着经济的快速增长, 工农业废水随排放及降雨径流进入河流, 而这些废水中所携带的过量营养物质会破坏水体原有平衡, 从而导致水质下降和水生生态系统退化等问题[1, 2].而河流的水质也是自然过程与人类生产和生活综合作用的结果[3, 4].同时, 研究河流中营养物质的季节动态既可以反映水体的质量状况, 也可为营养物质的溯源及调控提供关键线索[5].

黄河是世界第五大河流, 也是我国西北和华北地区的重要水源, 然而其水资源却较为紧缺[6].近年来, 由于地形和降雨等自然因素以及频繁的人类活动影响, 黄河流域水生态问题日渐凸显[7], 其水质状况一直备受关注[8, 9].而对于横跨9个省份和自治区的黄河流域, 各个河段所面临的问题都不相同: 源区湿地萎缩[10], 上游甘宁蒙段工农业污染[11], 中下游水土流失以及缺水危机[12].因此, 黄河水质现状与污染物调查与治理已刻不容缓.

目前, 关于黄河营养物质的调查主要集中于中下游地区[13~15], 大尺度的全流域调查较少[16].鉴于此, 本文以黄河为研究对象, 分析了2019年春秋两季黄河干流自然河段及水库的水环境特征, 并对黄河干流水质进行评价, 探讨了黄河干流主要营养盐的季节性差异和空间分布特征, 科学地计算了黄河流域入河氮磷负荷, 以期为水土流失和人类活动双重作用下黄河流域氮磷污染的治理提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山脉北麓, 流域地处32°~42°N, 95°~120°E之间, 全长5 464 km, 覆盖9个省区, 地势高低起伏显著[17].黄河属于典型的季风气候区, 降雨主要集中于7~10月, 上、中游位于干旱和半干旱地区, 下游地区较为湿润[18].流域内陆表水空间分布不均, 上游占60.3%, 而中下游属于人口密集地, 陆表水域面积仅占总面积的39.7%[19].

本研究分别于2019年4~5月(春季)和2019年9~10月(秋季)采样2次, 从黄河源区至河口沿程向下游采样(图 1), 采样断面设置如表 1.综合考虑河道地形和水文环境等因素, 本研究共设置45个断面, 其中包含龙羊峡、刘家峡、青铜峡、万家寨、三门峡和小浪底这6个水库, 且每个水库取其库首、库中和库尾3个断面进行调查.目前, 对于黄河干流河段划分最常用的是黄河水利委员会根据水文特征将其河源至河口镇划分为上游, 河口镇至桃花峪为中游, 桃花峪以下为下游[20], 由于上游河段较长(3 472 km)和落差较大(3 496 m), 且通常将唐乃亥水文站上游地区定义为黄河源, 因此本文将黄河上游划分为源区(本研究中玛多-唐乃亥段)和上游甘宁蒙段(本研究中龙羊峡水库-头道拐段)两段, 以此更科学地体现黄河干流水环境特征[21].

图 1 黄河流域主要水系及样点分布示意 Fig. 1 Distribution of main river systems and sample points in the Yellow River basin

表 1 黄河干流源区至河口采样断面信息 Table 1 Sampling section information from source region to estuary of the Yellow River mainstem

1.2 实验与数据处理 1.2.1 参数测定

水环境参数测定: 电导率(EC)、溶解氧(DO)和pH采用哈希HQ40D便携式多参数水质监测仪测定, 浊度(Turb)采用哈希2100Q便携式浊度分析仪测, 用多参数控制器(美国YSI ProPlus, YSI, USA)现场测量总溶解固体(TDS).将采集的水样处理后带回实验室, 用以水体各理化参数的测定, 本研究中室内所测参数浓度为上清液中数值[22].总氮(TN)和溶解态总氮(DTN)采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定; 氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)和亚硝酸盐氮(NO2--N)采用紫外分光光度法测定.沉积物中有机碳总量(S-TOC)采用重铬酸钾氧化法-硫酸外加热法测定[23], 参照国标半微量开氏法(GB 7173-87)进行沉积物中总氮(S-TN)测定, 参照国标碱熔-钼锑抗分光光度法(HJ 632-2011)进行沉积物中总磷(S-TP)的测定.

1.2.2 水质指数法

本研究利用水质质量指数(WQI)综合评估法对黄河干流水质进行评价, 其计算公式为[24, 25]:

式中, WQI为水质综合指数(表 2), Ci为第i种水质因子的标准化得分, Pi为第i种水质因子的权重, 以此将WQI分为5个等级: 优秀(90~100)、良好(70~90)、一般(50~70)、差(25~50)和极差(0~25).

表 2 WQI方法各水质因子分数及权重 Table 2 Weights and normalization factors of the parameters used in the calculation of the water quality index

1.2.3 氮磷赋存形态及负荷计算

颗粒态氮(PN)、溶解态无机氮(DIN)和溶解态有机氮(DON)质量浓度的计算公式如下:

(1)
(2)

总磷(TP)、溶解态总磷(DTP)和溶解性无机磷(DIP)采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定.颗粒态磷(PP)和溶解性有机磷(DOP)质量浓度的计算公式如下:

(3)
(4)

河流TN和TP的负荷计算公式如下:

(5)

式中, Wij为i年j月河流TN或TP负荷(t·a-1); cij为i年j月河流ρ(TN)或ρ(TP)的平均值(mg·L-1); Qij为i年j月水量的平均值(m3·s-1)[26].

1.2.4 分析方法

依据行政区划, 收集每个采样点所归属于行政县/区的农业与工业数据, 流量以及各行政区工农业数据来源于水利部黄河水利委员会(http://www.yellowriver.gov.cn/)及各省统计年鉴.

采用回归和相关分析, 以P值为0.05检验变量之间的关系, 以确定显著性.数据的整理及回归分析在Origin 2018软件中完成, 相关性分析及变差分解在R 3.6.0中完成, 氮磷负荷时空分布图在ArcGIS 10.6软件中完成.

2 结果与分析 2.1 黄河干流水环境

由图 2可知, 电导率在308~1 063 μS·cm-1范围之内, 溶解氧在6.05~11.27 mg·L-1之间, pH在7~8.5之间, 呈碱性.水体中电导率、pH和总氮等参数春季的浓度高于秋季; 水体中溶解氧、浊度和总磷等参数秋季浓度高于春季; TDS呈现出青铜峡水库以上秋季浓度高于春季, 以下秋季浓度低于春季; 沉积物中总磷秋季含量高于春季, 而沉积物中总有机碳和总氮的两个季度含量差异较小.电导率、溶解氧、浊度、TDS和总氮均表现为从源区至下游呈逐渐升高的趋势.同时, 水库的浊度明显低于周围样点, 而沉积物中的总有机碳与总氮含量均表现出在水库处有明显升高的规律, 在刘家峡水库、万家寨水库、三门峡水库和小浪底水库均出现此现象.

图 2 黄河各环境参数浓度时空变化 Fig. 2 Spatiotemporal variation in environmental parameter concentration of each sample point in the Yellow River

如图 3(a)所示, 春季电导率与水体中除TP外的参数都有着显著的正相关性, 而秋季电导率与这些参数却不具有显著性关系[图 3(b)].同时, 由图 3(a)和3(b)可知, 有多个参数的相关性关系在时间上呈现出相同的规律.两个季度水体TDS与电导率和总氮均存在显著正相关关系, 总氮与溶氧和pH之间存在显著正相关关系, 水体的总磷与浊度皆呈极显著的正相关.在沉积物中, 总有机碳、总氮和总磷之间具有显著正相关关系, 但沉积物总有机碳和沉积物总氮含量与水体浊度和水中总磷浓度之间具有负相关关系, 且此种负相关关系在秋季更加显著.

(a) 春季, (b) 秋季; *表示P < 0.05, **表示P < 0.01, ***表示P < 0.001 图 3 黄河各环境参数之间相关性热图 Fig. 3 Heatmap of correlations among environmental parameters in the Yellow River

图 4展示了黄河干流春秋两季的水质时空特征.结果表明, 2019年黄河干流水质WQI值在春季(WQI值为52.58~92.27, 均值为69.09)和秋季(WQI值为56.36~95.30, 均值72.41)差异较小, 均在50以上, 整体水质为“一般”及以上.根据WQI结果, 黄河干流水质类别主要为“良好”和“一般”, 分别占总体的34.38%和53.13%.从空间上来看, 春秋两季黄河干流水质从源区至河口呈逐步下降的趋势, 其中, 源区段水质(70~100)多为“良好”及“优秀”, 上游甘宁蒙水质变化差异较大(50~100), 中游及下游WQI值主要集中于50~70.同时, 龙羊峡、刘家峡、万家寨和小浪底这4个水库的WQI值较高于邻近的自然河段.

图 4 黄河水质指数(WQI)值时空分布 Fig. 4 Spatiotemporal distribution of WQI values in the Yellow River

2.2 黄河氮、磷浓度的时空变化

从氮的不同赋存形态来看[图 5(a)和5(b)], 黄河水体中氮是以溶解态为主, 且有机氮占比最高, 秋季有机态氮显著下降.春秋两季黄河中氮的总浓度在兰州以上较低, 且无明显的差异, 而在兰州之后浓度显著升高, 并在此之后呈现出逐渐升高的趋势.从磷的不同赋存形态来看[图 5(c)和5(d)], 黄河水体中颗粒态的磷占据绝对优势; 在兰州—昭君坟段以及黄河的下游段, 秋季有机态的磷含量占比相比于春季有所升高.两次调查期间, 磷含量较高的断面均主要集中于兰州—昭君坟段以及黄河的下游段.

(a)和(b):春季,(e)和(d):秋季 图 5 黄河水体中氮、磷浓度时空变化 Fig. 5 Spatiotemporal variation in nitrogen and phosphorus concentrations in the water of the Yellow River

结合黄河水体氮、磷及其形态的时空变化特征(图 6), 可以看出, 两个季度中, 溶解态和颗粒态氮都与总氮存在显著的正相关性.相比于春季, 秋季的溶解态氮与总氮间的相关性下降, 而颗粒态的相关性升高.对于磷, 溶解性磷与总磷也存在一定的相关性, 但相比于溶解态氮与总氮, 相关系数小得多, 而两个季度中颗粒态磷与总磷存在极显著的正相关关系.两个季度颗粒态磷与总磷的相关系数均较高, 说明悬浮颗粒物吸附态的磷是黄河水体中磷的主要贡献者.

(a)~(d):春季,(e)~(h):秋季 图 6 氮、磷不同赋存形态相关性分析 Fig. 6 Correlation analysis of different occurrence forms of nitrogen and phosphorus

2.3 黄河氮、磷负荷

由氮、磷负荷时空分布可知(图 7): 在时间上, 氮负荷秋季高于春季, 磷负荷秋季高于春季.在空间上, 氮负荷呈现出: 下游>中游>上游甘宁蒙段>源区的规律, 磷负荷呈现出: 下游>上游甘宁蒙段>中游>源区的规律.黄河中游段的磷负荷相比于上游甘宁蒙段有所下降, 在下游花园口处逐渐上升.氮磷负荷均于兰州开始显著升高, 这与总氮和总磷浓度变化规律相符合.

图 7 调查期间黄河水体中氮和磷负荷时空分布 Fig. 7 Spatiotemporal distribution of nitrogen and phosphorus loads in the water of the Yellow River during the survey

由图 8可知, 农业与工业对氮负荷有着显著地影响, 并且农业相比于工业有着更为显著的影响.此外, 秋季农业对氮负荷的影响比春季更高.而农业与工业无论在春季与秋季对于磷的贡献都极小.由图 9可知, 氮负荷与农业、工业均呈显著正相关, 从时间上看, 两个季度农业与氮负荷的显著性均高于工业.而磷负荷与农业、工业之间不存在显著的关系.

解释度小于0的未显示 图 8 黄河氮磷负荷与工农业的变差分解 Fig. 8 Variation partitioning of nitrogen and phosphorus loads and industry and agriculture in the Yellow River

(a)和(c):春季,(b)和(d):秋季 图 9 氮磷负荷与工农业相关性分析 Fig. 9 Correlation analysis of nitrogen and phosphorus loads with industry and agriculture

3 讨论

黄河作为我国重要的水源地, 其流域状况一直备受关注, 通过对黄河干流自然河道与水库调查显示, 其水环境特征与氮磷负荷均表现出时空差异.黄河干流从源区至河口多个参数整体呈逐渐上升的趋势, 水库的浊度相对于黄河干流河道较低, 这是因为水库相比于自然河道流速低, 泥沙易沉降淤积[27].且刘家峡、万家寨和小浪底水库沉积物中总氮含量是临近自然河段的1.5~2倍, 总有机碳含量是临近自然河段的2~3倍, 这也是因为水库相比河流对溶质的截留与沉积具有更加显著的效果[28], 导致水库中沉积物的碳和氮含量相对高于自然河段中的含量.而黄河沉积物中的总氮和总有机碳含量与水体中总磷浓度以及水体浊度呈显著负相关, 这可能是因为水体中扰动较强时, 浊度增大, 此时沉积物中碳氮磷再悬浮释放较多[29], 水体中碳氮磷浓度升高.因此, 水中碳氮磷的浓度与沉积物中的含量的负相关关系也会在秋季更显著.

综合多个水质参数对黄河水质进行了分析与评价.根据WQI值, 黄河水质两个季度差异较小, 而在空间上存在差异性.2019年春秋两季黄河干流水质等级由源区至河口呈逐渐下降趋势, 其中, 黄河源区段以及上游刘家峡水库以上区域水质等级为“优秀”.而从兰州断面开始WQI值出现明显的下降, 这是因为从此处出现了黄河流域内第一个较大规模的城市, 人为影响加重.而黄河中下游的水质逐渐下降, 基本处于“一般”等级, 这可能是中下游黄河流域内水土流失加剧[30]以及点源排放增多[31]所导致的.同时, 龙羊峡、刘家峡、万家寨和小浪底这4个水库的WQI值较高于邻近的自然河段, 也表明了水库可以截留与沉积水中溶质, 对水质具有一定的清洁作用.本研究中2019年春秋两季黄河干流总体水质较好, 水质的结果整体上与水质生物评价结果相符合[21].

季节上, 氮磷负荷都存在着显著的差异, 这是因为河流中氮磷一般主要来自于点源与面源, 点源的输入随季节气候的变化差异较小.在雨季期间, 降雨是面源污染的主要驱动力[32], 降水形成地表径流携带更多的氮磷元素入河是导致秋季氮磷负荷更高的主要原因[33].黄河流域内季节性降水变化差异显著, 降雨量呈现出春夏下降、秋季增加的规律[34], 其降雨主要集中于7~10月, 占全年降雨量的60%~80%[35].本研究中两个季度颗粒态氮差异较小, 而秋季溶解性氮的占比比重下降, 且其与总氮间的相关性下降, 这是由于秋季流域内拥有较高的流量, 随着黄河流量的增大, 氮浓度则逐渐减小[36], 此时水量稀释作用对其质量浓度产生了明显影响.而秋季有机态磷升高, 这可能与农田中有机肥和有机农药进入水体中有关[37].因此, 降雨引起的径流量变化是黄河流域内氮磷赋存形态及其负荷具有季节性差异的关键因素.

氮磷的输入除了受降雨影响, 还与流域内氮磷的来源有关.本文研究发现, 黄河流域内工业点源与农业面源对氮素的输入具有关键的影响, 工农业作用的加剧是导致氮负荷从源区至河口逐渐升高的原因.但农业与工业对黄河磷负荷贡献均不明显, 这是因为黄河流域总磷的输送主要受流域土壤侵蚀的影响[16], 流域降雨径流在汇入河流的过程中, 磷大部分是吸附在泥沙颗粒上运移进入到河流的[38].相关性分析也表明了黄河总磷与浊度有着极显著的正相关性, 两个季度颗粒态磷与总磷之间均存在极显著的正相关关系, 且颗粒态磷为磷的主要赋存形态[39].因此, 受河流泥沙的干扰, 黄河水体中磷负荷未观察到与工农业之间的明显规律, 这与以往研究相似[40].同时, 本研究中黄河中游的磷负荷低于上游甘宁蒙段与下游, 与马永星等[16]的研究相似, 此种现象可能是由以下原因造成的.本研究所测得磷含量为静置后水体上清液中含量[22], 以往研究可知, 当悬移质泥沙粒径小于0.15 mm时, 粒级越小则吸附能力越强[41, 42], 此时悬移质吸附磷越多, 则水中磷含量越少.而黄河中游悬移质泥沙粒径主要分布在0.038 mm以下[43], 下游悬移质泥沙粒径主要分布在0.03~0.05 mm[44], 而由图 5(d)也可知, 颗粒态的磷在黄河中游总磷中占比高于上游甘宁蒙段以及下游.而以往的研究也表明了, 黄河中磷的输入主要被颗粒物吸附后沉积到河床或库区[45], 导致中游水体中磷含量较低.因此, 黄河流域内氮磷赋存形态及其负荷所具有的空间差异性主要受控于人类活动与水土流失的影响.

4 结论

(1) 从源区至河口多个参数逐渐上升的趋势反映了越来越频繁的人类活动以及中下游水土流失等的共同作用, 同时, 水库对溶质的截留与沉积具有较为显著的效果.

(2) 两个季节水质差异较小, 从源区至河口水质等级由“优秀”下降至“一般”.

(3) 降雨的影响是黄河流域内氮磷赋存形态及其负荷具有季节性差异的关键因素, 而黄河流域内氮磷赋存形态及其负荷所具有的空间差异性主要受控于人类活动与水土流失的影响.

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